在电力电子应用中，硅碳化物(SIC)半导体器件因其卓越的性能，正在逐渐取代传统的硅基器件。SiC器件具有更高的击穿电压、更低的导通电阻以及优异的热性能，而这些特性使得SiC栅级驱动电路设计至关重要。本文将探讨如何优化SiC栅级驱动电路，以提升整体效率和可靠性，同时满足新兴技术的高性能需求。

　　隔离式栅极驱动器专为满足 SiC(碳化硅)和 GaN(氮化镓)等技术所需的最高开关速度和系统尺寸限制而设计，可提供对 IGBT 和 MOSFET 的可靠控制。架构的演变可以满足新的效率水平和时序性能的稳定性，从而减少电压失真。 ROHM Semiconductor 是基于碳化硅 (SiC) 技术的功率器件的参考点。

　　一、为什么使用SIC MOSFRT

　　我们的材料固有电阻较低，因此可以使用更小的芯片并最终实现更小的封装。对于功率器件等复杂组件来说，这是一个关键因素，这些组件通常在桥配置中包含多个层。

　　此外，更小的芯片有助于更好地优化内部布局并减少寄生电容。 SiC 技术的第二个好处是更高的工作频率。通过更好的材料动态和更高的开关速率可以实现更高的工作频率，从而可以减小无源元件(线圈电感器、滤波器和变压器)的尺寸、纹波，在某些情况下还可以减小输入和输出电容。

　　第三个好处与更高的工作温度有关，这是由于 SiC 材料的工作温度更高(可达 200 度)及其更好的导电性。基于此，我们可以缩小散热器的尺寸，或者在某些情况下简化冷却系统。有时甚至可以从液体冷却系统迁移到强制风冷系统。

　　二、SiC MOSFET驱动电路的挑战与优化

　　更高的感应电压

　　下图展示了不同功率器件之间的比较：碳化硅(SiC) MOSFET、功率MOSFET和硅IGBT。

　　从输出特性(参考不同制造商)我们可以观察到电压水平存在很大的变化。ROHM SiC MOSFET现已进入第三代，其典型栅源电压(V GS)为18V。我们现在有兴趣检查如果我们用不正确的电压电压驱动SiC MOSFET会发生什么：我们的电压从18V开始，逐渐将电压降低到16V、14V甚至低于这个电压。这方面很重要，因为由于电源电压变化或其他因素，现场也可能发生电压跌落。下图所示的设置在实验室中进行了测试。

　　测量电路基于输出功率为 5 kW 的升压器配置。从 V GS 18V 开始，电压逐步下降到 14V 以下。在 13.4V 时停止测试。测试结果如图所示：正如预期的情况，R ds(随着感应电压的降低而增加。在14V左右(指被测器件)时，我们可以观察到温度升高，必须在击穿(由于热失控)发生之前停止测试。

　　这种现象是引人注目的，因为R ds(on)温度系数在12V至14V附近是其标志。在18V时，温度系数为正：这意味着温度升高，R ds(on)会增加。 ，在低电感电压下，温度系数为负，且温度升高，R ds(on)会降低。为避免热失控某些，该类别的SiC MOSFET要求最小电感电压为14V。

　　另一个大问题是如何正确驱动SiC MOSFET以及我们是否可以使用硅MOSFET来实现这个目的。例如，考虑图5的电源原理图。输入电压为700-1000 VDC，很难应用硅MOSFET，无论如何，我们应该使用两个串联的MOSFET来满足这个应用程序。MOSFET能够承受的最大电压很容易达到1350V或以上(1000V最大输入电压，加上反射电压加上杂散音响产生的浪涌电压)。

　　我们可以只使用一个碳化硅MOSFET(例如1700V型)，而不是使用两个硅MOSFET，但如何驱动它呢?答案是我们需要专门的IC。 ROHM BD7682FJ是针对碳化硅MOSFET进行市场上驱动优化的IC。它具有18V感应钳位(避免在危险电压以上工作)、14V欠压锁定(UVLO)、软启动(有助于减少共振脉冲)和全面的保护功能列表。

　　更快的开关速度

　　对于 IGBT 晶体管来说，SiC MOSFET 具有更好的动态特性，这意味着换向速度更快。SiC MOSFET 的换向时间为瞬时纳秒，而 IGBT 的换向时间为数百纳秒。为了实现这种情况快速换向，我们必须在更短的周期提供总谐振谐振。这意味着我们需要谐振驱动器具有更高的峰值电流。高多少?如图6所示，至少需要与IGBT相同的电流，或者更多。

　　更快的换向也意味着更高的dV/dt。dV和dt都可以通过实验测量，如图7所示的示例，其中比较了IGBT和Sic MOSFET的开关时间。如图所示，需要共模瞬态抗扰度(CMTI)至少等于或大于每纳秒100V的谐振驱动器。

　　较低级阈值

　　IGBT MOSFET的阈值约为+5V甚至更高，而对于碳化硅MOSFET，该技术允许具有较低的阈值，约为+1或+2V(图8)。此外，由于阈值电压的负温度系数，阈值随着温度的升高而降低。因此，在电感驱动器设计中，我们需要注意这一方面，因为电感上的噪声可能很危险。如何控制噪声并消除寄生效应?第一步与PCB设计相关。好的PCB设计应尽量减少以下参数：

　　从OUT到电感再到电容器的走线阻抗;

　　从GND到源极再到电容器的走线阻抗;

　　高电流路径的面积。在下图中，路径上的转弯处以红色显示，而路径上的转弯处以绿色显示。

　　第二步与米勒钳位有关。让我们考虑一下典型的半桥MOSFET感应驱动器。当打开半桥的上侧MOSFET(M2：关→开)时，下开关两端会发生电压变化VDS。这会产生电流(I_Miller)，为下部MOSFET的寄生电容C充电(图9)。该电流经米勒电容、电感电阻器和C GS电容。V DS从低电平切换到高电平的越快。如果电感电阻器上的电压降超过下部MOSFET的阈值电压，则发生寄生导通(称为“米勒效应”)(M1导通)。

　　米勒效应可以通过两种方式避免。一个是用于保持MOSFET关闭负电源(VEE)。第二个是有源米勒钳位如图，10所示。该解决方案包括添加第三个内部MOSFET(M3)，连接到驱动器电路中的最低电位。当MOSFET关断时，当谐振电压降至电平特定以下时，钳位开关被激活，以确保MOSFET在任何接地反弹事件或dV DS /dt瞬态如图10所示，有源米勒钳位可以通过将感应直接钳位到达地或负电源来减少VGS的增加。

　　第三步与电感电压振荡有关。振荡可以是正的，也可以是负的，从而产生噪声。在这种情况下，一个经过验证的解决方法是在栅格极和源极之间添加一个稀释剂，以提高C GD /C GS份数。

　　由于电容器会影响开关时间，因此必须仔细评估该解决方案。基于上述所有考虑，Rohm 已经推出了 SiC MOSFET 专用感应驱动器。 BM61S40RFV 感应驱动器具有 14.5V 欠压锁定 (ULVO)、22V 过压保护 ( OVP)、100V/ns 的 CMTI 和 4A 的输出(在产品路线中已增加计划的未来器件中将)。因此，SiC MOSFET 谐振驱动器已经可用，并有可用于初始测试的文档和评估板的支持。

　　总而言之，优化SiC功率器件的栅级驱动电路，一切的基础是布局优化。这是第一步，墨尔本寄生元件给所施加的电压或增加电流噪声或尖峰。第二步是必须在所有工作条件下检查电压电平和谐振信号噪声第三步是使用市场上已有的专用器件来驱动SiC MOSFET，如前面提到的那样。

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